Los investigadores descubrieron recientemente que la fuerza del campo magnético necesaria para provocar un proceso mecánico cuántico particular, como la fotoluminiscencia y la capacidad de controlar los estados de giro con campos electromagnéticos (EM), corresponde a la temperatura del material. Basado en este hallazgo, los científicos pueden determinar la temperatura de una muestra a una resolución de un micrón cúbico midiendo la intensidad del campo a la que se produce este efecto. La detección de temperatura es integral en la mayoría de los procesos electrónicos y químicos, por lo que una mayor resolución espacial podría beneficiar las actividades comerciales y científicas. El equipo informa sus hallazgos en Anticipos de AIP .

En diamantes los átomos de nitrógeno pueden reemplazar los átomos de carbono; cuando esto ocurre junto a las vacantes en la red cristalina, produce propiedades cuánticas útiles. Estas vacantes pueden tener un cargo negativo o neutral. Los centros vacantes con carga negativa también son fotoluminiscentes y producen un brillo detectable cuando se exponen a ciertas longitudes de onda de luz. Los investigadores pueden usar un campo magnético para manipular los espines de los electrones en las vacantes, que altera la intensidad de la fotoluminiscencia.

Un equipo de investigadores rusos y alemanes creó un sistema que puede medir temperaturas y campos magnéticos a resoluciones muy pequeñas. Los científicos produjeron cristales de carburo de silicio con vacantes similares a los centros de vacantes de nitrógeno en diamantes. Luego, expusieron el carburo de silicio a luz láser infrarroja en presencia de un campo magnético constante y registraron la fotoluminiscencia resultante.

Los campos magnéticos más fuertes facilitan la transferencia de los electrones en estas vacantes entre estados de espín de energía. A una intensidad de campo específica, la proporción de electrones con spin 3/2 cambia rápidamente, en un proceso llamado anticrossing. El brillo de la fotoluminiscencia depende de la proporción de electrones en varios estados de espín, para que los investigadores pudieran medir la fuerza del campo magnético monitoreando el cambio de brillo.

Adicionalmente, la luminiscencia cambia abruptamente cuando los electrones en estas vacantes experimentan relajación cruzada, un proceso en el que un sistema cuántico excitado comparte energía con otro sistema en su estado fundamental, llevando a ambos a un estado intermedio. La fuerza del campo necesaria para inducir la relajación cruzada está directamente relacionada con la temperatura del material. Variando la fuerza del campo, y registrar cuando la fotoluminiscencia cambió repentinamente, los científicos pudieron calcular la temperatura de la región del cristal bajo investigación. El equipo se sorprendió al descubrir que los efectos cuánticos se mantenían incluso a temperatura ambiente.

"Este estudio nos permite crear sensores de temperatura y campo magnético en un dispositivo, "dijo Andrey Anisimov, del Instituto Físico-Técnico Ioffe de la Academia de Ciencias de Rusia y uno de los autores del artículo. Es más, los sensores se pueden miniaturizar a 100 nanómetros, que permitiría su uso en la industria espacial, observaciones geofísicas e incluso sistemas biológicos. "A diferencia del diamante, el carburo de silicio ya es un material semiconductor disponible, y diodos y transistores ya están hechos de él, "Dijo Anisimov.